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JP7207558B2 - Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method - Google Patents
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Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method Download PDF

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Description

本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の成分濃度を測定するガス吸光分光測定装置及びガス吸光分光測定方法に関する。 The present invention relates to a gas absorption spectrophotometer and a gas absorption spectrophotometry method for measuring the concentration of components in a gas to be measured using absorption of laser light.

被測定ガス中の特定の成分の濃度を測定する手法として、レーザ吸収分光法が広く利用されている。レーザ吸収分光法には幾つかの手法があるが、その手法の一つとして、キャビティリングダウン吸収分光法(Cavity Ring-Down absorption Spectroscopy、以下、慣用に従って「CRDS」と称すことがある)がある。CRDSは、光共振器を用いて光吸収のための実効光路長を長くすることにより検出感度を改善する手法である(非特許文献1など参照)。 Laser absorption spectroscopy is widely used as a technique for measuring the concentration of a specific component in a gas to be measured. There are several techniques for laser absorption spectroscopy, one of which is Cavity Ring-Down absorption Spectroscopy (hereinafter sometimes referred to as "CRDS" in common usage). . CRDS is a technique for improving detection sensitivity by lengthening the effective optical path length for light absorption using an optical resonator (see Non-Patent Document 1, etc.).

図5は一般的なCRDS装置の概略構成図である。図5において、レーザ光源部100から射出された所定波長のレーザ光は光スイッチ101を通して、被測定ガスが収容されている筒状の測定セル20に導入される。測定セル20の両端には、高反射率(ごく僅かに光が透過する)を有するミラー21、22が対向して配置されている。この測定セル20及び一対のミラー21、22が光共振器2を構成する。この光共振器2は例えばレーザ装置等で一般的に用いられているファブリペロー共振器と同様のものであり、共振し得る光の波長(周波数)はセル長等の共振条件に応じて決まっている。なお、光共振器2は、2枚のミラーを対向して配置した構成の共振器でなく、3枚以上のミラーで構成されるリング型の共振器であってもよい。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a general CRDS device. In FIG. 5, a laser beam having a predetermined wavelength emitted from a laser light source unit 100 is introduced through an optical switch 101 into a tubular measuring cell 20 containing a gas to be measured. At both ends of the measuring cell 20, mirrors 21, 22 with high reflectivity (only a very small amount of light is transmitted) are arranged opposite each other. The measuring cell 20 and the pair of mirrors 21 and 22 constitute the optical resonator 2 . This optical resonator 2 is similar to a Fabry-Perot resonator generally used in, for example, a laser device, and the wavelength (frequency) of light that can resonate is determined according to resonance conditions such as cell length. there is The optical resonator 2 may be a ring-type resonator composed of three or more mirrors instead of a resonator composed of two mirrors facing each other.

光共振器2において共振し得る周波数は一般にモード周波数と呼ばれる。図6は、モード周波数とレーザ光の周波数との関係を示すスペクトルである。図6に示すように、モード周波数は所定の周波数間隔で以て存在し、光共振器2に導入されたレーザ光の周波数がこのモード周波数と一致しないとき、光のパワーは光共振器2内に蓄積されない。一方、レーザ光源部100においてレーザ光の発振周波数がモード周波数と一致するように調整されると、光のパワーが光共振器2内に蓄積される。 A frequency at which the optical resonator 2 can resonate is generally called a mode frequency. FIG. 6 is a spectrum showing the relationship between the mode frequency and the frequency of laser light. As shown in FIG. 6, mode frequencies exist at predetermined frequency intervals. not stored in On the other hand, when the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 100 is adjusted to match the mode frequency, light power is accumulated in the optical resonator 2 .

CRDS装置では、光のパワーが光共振器2内に十分に蓄積された状態で、該光共振器2へ入射するレーザ光を光スイッチ101によって急峻に遮断する。すると、その直前に光共振器2内に蓄積されていた光は、一対のミラー21、22の間を多数回(実際には数千~数万回)往復する。その間、測定セル20内に封入されている被測定ガス中の成分による吸収を受けて光は徐々に減衰していく。その際に、光共振器2の出射側ミラー22を経て外部へと漏れ出る一部の光の減衰の状態を、光検出器3によって連続的に検出する。光検出器3により検出したデータに基づいて光の減衰の時定数(リングダウン時間)を求めることで、そのときのレーザ光の周波数における被測定ガス中の目的成分の吸収係数を算出することができる。そして、その吸収係数に基づいて、目的成分の絶対濃度を求めることができる。また、レーザ光源部100におけるレーザ光の発振周波数を所定の範囲で走査しながら、同様にキャビティリングダウン(CRD)信号の測定を繰り返すことにより、被測定ガス中の目的成分による吸収スペクトルを取得することもできる。 In the CRDS device, the optical switch 101 abruptly cuts off the laser light entering the optical resonator 2 while the optical power is sufficiently accumulated in the optical resonator 2 . Then, the light accumulated in the optical resonator 2 just before that travels back and forth between the pair of mirrors 21 and 22 many times (actually, thousands to tens of thousands of times). During this time, the light is gradually attenuated by absorption by the components in the gas to be measured enclosed in the measurement cell 20 . At that time, the photodetector 3 continuously detects the state of attenuation of part of the light that leaks out through the exit-side mirror 22 of the optical resonator 2 . By obtaining the time constant of light attenuation (ringdown time) based on the data detected by the photodetector 3, it is possible to calculate the absorption coefficient of the target component in the gas under measurement at the frequency of the laser light at that time. can. Then, the absolute concentration of the target component can be obtained based on the absorption coefficient. In addition, while scanning the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 100 within a predetermined range, the measurement of the cavity ring-down (CRD) signal is repeated in the same manner to acquire the absorption spectrum of the target component in the gas to be measured. can also

被測定ガス中の目的成分の吸収係数αを求めるには、通常、次の(1)式が用いられる(特許文献1等参照)。
α=(1/c){(1/τ)-(1/τ0)} …(1)
ここで、cは光速、τは測定セル20内に被測定ガスが収容されているときのリングダウン時間、τ0は測定セル20内に被測定ガスが収容されていない(例えば真空状態である)とき又は被測定ガス中の成分による吸収が全く無視できるときのリングダウン時間である。一方、目的成分(吸収物質)の吸収係数α、数密度n、及び吸収断面積σの関係は次の(2)式で示される。
α=nσ …(2)
The following equation (1) is usually used to obtain the absorption coefficient α of the target component in the gas to be measured (see Patent Document 1, etc.).
α=(1/c) {(1/τ)−(1/τ 0 )} …(1)
Here, c is the speed of light, τ is the ring-down time when the measurement cell 20 contains the gas to be measured, and τ 0 is the measurement cell 20 when the gas to be measured is not contained (for example, in a vacuum state). ) or when the absorption by the components in the gas to be measured is completely negligible. On the other hand, the relationship between the absorption coefficient α, the number density n, and the absorption cross section σ of the target component (absorbing substance) is given by the following equation (2).
α=nσ (2)

したがって、(1)式及び(2)式を用いて、二つのリングダウン時間τ、τ0から、吸収断面積が既知である成分についての絶対濃度を計算することができる。CRDS装置では、光共振器2を用いて光が被測定ガス中を透過する実効的な距離(光路長)を伸ばしているため、二つのリングダウン時間τ、τ0の差が大きくなる。それによって、微量な目的成分によるごく僅かな光吸収をも検出することができ、他の方式のレーザ吸収分光法に比べて高い検出感度を実現することができる。Therefore, using equations (1) and (2), absolute concentrations for components with known absorption cross sections can be calculated from the two ring-down times τ, τ 0 . In the CRDS apparatus, the optical resonator 2 is used to extend the effective distance (optical path length) for light to pass through the measured gas, so the difference between the two ring-down times τ and τ 0 becomes large. As a result, it is possible to detect even a very small amount of light absorption by a very small amount of the target component, and it is possible to achieve a higher detection sensitivity than other types of laser absorption spectroscopy.

特開2011-119541号公報JP 2011-119541 A 特開2015-32700号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-32700

橋口幸治、「ガス中微量水分の高効率な計測技術に関する調査研究」、産業技術総合研究所、産総研計量標準報告、2015年10月、Vol.9、No.2、pp.185-205Koji Hashiguchi, "Investigative research on highly efficient measurement technology for trace moisture in gas", National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST Measurement Standard Report, October 2015, Vol.9, No.2, pp.185-205 ドレバー(R. W. P. Drever)、ほか6名、「レーザ・フェイズ・アンド・フリクエンシー・スタビライゼイション・ユージング・アン・オプティカル・リゾネータ(Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator)」、アプライド・フィジックス(Appl. Phys.)B、1983年、Volume 31、Issue 2、pp.97?105R. W. P. Drever, and six others, "Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator," Appl. Phys .) B, 1983, Volume 31, Issue 2, pp.97-105

上述したようにCRDS装置では原理的に、光共振器のモード周波数とレーザ光の発振周波数とが一致した状態で測定を実施する必要がある。光共振器のモード周波数とレーザ光の発振周波数とを一致させる手法として、非特許文献2に詳細に開示されているPDH(Pound-Drever-Hall)法がしばしば用いられる。 As described above, in the CRDS apparatus, in principle, it is necessary to perform measurement in a state in which the mode frequency of the optical resonator matches the oscillation frequency of the laser light. As a technique for matching the mode frequency of the optical resonator and the oscillation frequency of the laser light, the PDH (Pound-Drever-Hall) method disclosed in detail in Non-Patent Document 2 is often used.

PDH法を利用したCRDS装置(特許文献2等参照)では、レーザ光源部からのレーザ光の発振周波数を位相変調素子により変調して光共振器に入射させる。そして、その入射光に対し光共振器において反射されて戻って来た光を光検出器により検出し、その検出信号を変調信号で同期検波することによりエラー信号を取得する。このエラー信号はレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数との差の情報を有しており、発振周波数とモード周波数との一致性が高いほどエラー信号は小さくなる。そこで、エラー信号が最も小さくなるようにレーザ光源部におけるレーザ光の発振周波数を制御することにより、該発振周波数をモード周波数に一致させる。こうしたフィードバック制御により、レーザ光の発振周波数を光共振器のモード周波数にロックさせることができる。 In a CRDS device using the PDH method (see Patent Document 2, etc.), the oscillation frequency of laser light from a laser light source is modulated by a phase modulation element and made incident on an optical resonator. Then, the incident light is reflected back by the optical resonator and is detected by a photodetector, and the detected signal is synchronously detected with the modulated signal to obtain an error signal. This error signal contains information on the difference between the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator, and the error signal becomes smaller as the matching between the oscillation frequency and the mode frequency becomes higher. Therefore, by controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source section so that the error signal is minimized, the oscillation frequency is matched with the mode frequency. Such feedback control allows the oscillation frequency of the laser light to be locked to the mode frequency of the optical resonator.

上記PDH法等により周波数をロックさせる手法を用いない場合には、例えばレーザ光の発振周波数を変化させながら該発振周波数と光共振器のモード周波数と一致するタイミングを待ってCRD信号を取得する必要がある。そのため、測定を実施することができるタイミングがかなり限定される。これに対し、PDH法を利用するとレーザ光の発振周波数をモード周波数に常に一致させておくことができるため、単位時間当たりの測定回数を増やすことができ、測定効率を大幅に改善することができる。
If the method of locking the frequency by the PDH method or the like is not used, the CRD signal is acquired after waiting for the timing at which the oscillation frequency of the laser light coincides with the mode frequency of the optical resonator while changing the oscillation frequency of the laser beam, for example. There is a need. Therefore, the timing at which measurements can be performed is quite limited. On the other hand, when the PDH method is used, the oscillation frequency of the laser light can always be matched with the mode frequency, so the number of measurements per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be greatly improved. .

しかしながら、従来のPDH法を用いたCRDS装置は次のような問題を有する。
PDH法によりレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するためには、その制御の開始時点でエラー信号が得られている必要がある。PDH法を実施する一般的な回路では、上記エラー信号はレーザ光の発振周波数とモード周波数との差が小さいとき(一般的には周波数スペクトル上の縦モードのパルス線幅程度以下であるとき)にしか得られない。一方、CRDS装置において高い検出精度や感度を達成するには、縦モードのパルス線幅を狭くする(厳密には縦モードのパルス線幅が狭くなる共振条件とする)必要があり、そうするとPDH法におけるエラー信号を生成できる周波数領域も非常に狭くなる。このため、CRDS装置にPDH法を適用する場合、ごく狭い縦モードのパルス線幅の周波数領域にレーザ光の発振周波数が収まるように、該レーザ光の発振周波数を高い精度で以て制御する必要がある。
However, the conventional CRDS device using the PDH method has the following problems.
In order to feedback-control the oscillation frequency of laser light by the PDH method, an error signal must be obtained at the start of the control. In a general circuit that implements the PDH method, the error signal is generated when the difference between the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency is small (generally when it is less than the pulse line width of the longitudinal mode on the frequency spectrum). can only be obtained. On the other hand, in order to achieve high detection accuracy and sensitivity in the CRDS device, it is necessary to narrow the pulse line width of the longitudinal mode (strictly speaking, the resonance condition is such that the pulse line width of the longitudinal mode is narrowed). The frequency range in which the error signal in can be generated is also very narrow. Therefore, when the PDH method is applied to the CRDS device, it is necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy so that the oscillation frequency of the laser light falls within the frequency range of the pulse line width of the very narrow longitudinal mode. There is

即ち、CRDS装置における測定精度や感度を高めるために光共振器の縦モードのパルス線幅を狭めると、レーザ光の発振周波数を高い精度で制御する必要が生じ、レーザ光源部やレーザ制御回路のコストが高くなってしまう。逆に、レーザ光の発振周波数を制御する精度を緩和するには、光共振器の縦モードのパルス線幅を広げる必要があり、そうするとCRDS装置における測定精度や感度が低下してしまうというジレンマがある。 In other words, if the pulse line width of the longitudinal mode of the optical resonator is narrowed in order to improve the measurement accuracy and sensitivity of the CRDS device, it becomes necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy, and the laser light source and laser control circuit become necessary. Cost will be higher. Conversely, in order to relax the accuracy of controlling the oscillation frequency of the laser light, it is necessary to widen the pulse line width of the longitudinal mode of the optical resonator. be.

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、PDH法を利用したCRDS装置において、レーザ光の発振周波数の高精度な制御を行うことなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それら周波数が一致した状態を維持しながら高い精度及び感度の測定を実施することができるガス吸光分光測定装置及びガス吸光分光測定方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a CRDS apparatus using the PDH method in which laser light is gas absorption spectroscopy measurement device and gas absorption spectroscopy measurement method capable of quickly matching the oscillation frequency of the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, and performing measurement with high accuracy and sensitivity while maintaining the matching state of the frequencies is to provide

本発明に係るガス吸光分光測定装置の一態様は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備える。
One aspect of the gas absorption spectrometry apparatus according to the present invention is an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation unit, which includes a laser irradiation unit, a measurement cell containing a gas to be measured, and the light a first detection unit for detecting light extracted from the resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the component concentration in the gas under measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit teeth,
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
Prepare.

本発明に係るガス吸光分光測定装置の他の態様は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備える。
Another aspect of the gas absorption spectrophotometer according to the present invention is an optical resonator that resonates light emitted from the laser irradiation unit, the optical resonator including a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. a first detection unit for detecting light extracted from the optical resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the component concentration in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation Department is
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated from each other in the optical resonator. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or Based on the signal detected by the second detector and the second modulation signal for the return light derived from the second laser light, the difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator is determined. a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
Prepare.

また本発明に係る周波数ロック方法の一態様は、レーザ光源の発振周波数を光共振器の共振周波数にロックする周波数ロック方法であって、
前記レーザ光源によるレーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行するものである。
Further, one aspect of the frequency locking method according to the present invention is a frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light from the laser light source to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
is executed.

また本発明に係るガス吸光分光測定方法の一態様は、上記態様の周波数ロック方法を用い、前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
In one aspect of the gas absorption spectroscopy measurement method according to the present invention, the frequency locking method of the above aspect is used, and after matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the feedback control in the sixth step is performed. A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using laser light from the laser light source while maintaining
is further executed.

また本発明に係るガス吸光分光測定方法の他の態様は、上記態様の周波数ロック方法を用い、前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
In another aspect of the gas absorption spectroscopy measurement method according to the present invention, the frequency locking method of the above aspect is used, and after matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, The fundamental frequency laser light from the laser light source is used while frequency-modulating the fundamental frequency laser light using the modulation signal and irradiating the optical resonator, and performing feedback control based on the returned light. a seventh step of performing a measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy;
is further executed.

本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法における、レーザ光の発振周波数のフィードバック制御の手法は、上述したPDH法によるものである。また、ここでレーザ光源部から放出されるレーザ光の周波数を変換する際の「所定倍」とは、典型的には1以外の自然数(正の整数)倍であり、通常は2倍である。 In the gas absorption spectroscopy measurement device, frequency locking method, and gas absorption spectroscopy measurement method of each aspect of the present invention, the method of feedback control of the oscillation frequency of the laser light is based on the PDH method described above. In addition, the “predetermined multiple” when converting the frequency of the laser light emitted from the laser light source unit is typically a natural number (positive integer) multiple other than 1, and is usually double. .

本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法では、例えば装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、そのレーザ光の基本周波数ではなく、それを所定倍例えば2倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数が調整される。光共振器に用いられるミラーの反射率は光の周波数に依存し、基本周波数において高い反射率を示すミラーの反射率は、所定倍の周波数においては基本周波数における反射率よりも下がる。そのため、所定倍の周波数における光共振器の縦モードのパルス幅は基本周波数におけるそれよりも広くなり、レーザ光の周波数とモード周波数とのずれが或る程度大きくても適切なエラー信号が得られ、レーザ光の周波数がモード周波数に一致するように良好なフィードバック制御が行われる。 In the gas absorption spectroscopy measurement device, the frequency locking method, and the gas absorption spectroscopy measurement method of each of the above aspects of the present invention, the oscillation frequency of the laser light in the laser light source and the mode frequency of the optical resonator, for example, immediately after starting the device, are If they do not match, the oscillation frequency of the laser light source is adjusted by feedback control by the PDH method using not the fundamental frequency of the laser light but a laser light with a frequency that is a predetermined multiple, for example, twice the fundamental frequency. The reflectance of the mirrors used in the optical resonator depends on the frequency of light, and the reflectance of mirrors exhibiting a high reflectance at the fundamental frequency becomes lower than the reflectance at the fundamental frequency at a predetermined multiple of the frequency. For this reason, the pulse width of the longitudinal mode of the optical resonator at a frequency of a predetermined multiple becomes wider than that at the fundamental frequency, and an appropriate error signal can be obtained even if the difference between the frequency of the laser light and the mode frequency is large to some extent. , good feedback control is performed so that the frequency of the laser light matches the mode frequency.

このようにして、本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。 In this way, according to the gas absorption spectroscopy measuring device, the frequency locking method, and the gas absorption spectroscopy measuring method of each of the above aspects of the present invention, the laser can be The oscillation frequency of light and the mode frequency of the optical resonator can be matched rapidly, and CRDS measurement can be performed with high accuracy and sensitivity while maintaining it.

その結果、レーザ光の発振周波数を高精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。
また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
また、一定の周波数間隔で現れる各モード周波数に対してレーザ光の発振周波数を順番に迅速に一致させるような制御も可能であるので、広い周波数領域に亘るCRD信号を取得する際にも測定時間を短縮することができる。
さらにまた、従来はPDH法によるレーザ光の発振周波数の制御を適用することが困難であった反射率が極めて高い超高反射ミラーを、光共振器のミラーとして採用することができるので、CRDSの測定精度や感度を従来よりも高めることができる。
As a result, it is not necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy, and the cost of the apparatus can be reduced.
In addition, since the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator can be quickly matched and maintained, the number of measurements that can be performed per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be improved. can.
In addition, since it is possible to control the oscillation frequency of the laser light to match each mode frequency appearing at regular frequency intervals in order and quickly, the measurement time is also reduced when acquiring CRD signals over a wide frequency range. can be shortened.
Furthermore, since it is possible to adopt an ultra-high reflectance mirror having an extremely high reflectance, which was conventionally difficult to apply the control of the oscillation frequency of the laser light by the PDH method, as a mirror of the optical resonator, CRDS can be achieved. Measurement accuracy and sensitivity can be improved more than before.

本発明の第1の実施形態であるCRDS装置の要部の構成図。1 is a configuration diagram of a main part of a CRDS device that is a first embodiment of the present invention; FIG. 第1の実施形態のCRDS装置において測定開始前の処理の手順の一例を示すフローチャート。4 is a flowchart showing an example of a procedure of processing before starting measurement in the CRDS device of the first embodiment; 第1の実施形態のCRDS装置においてレーザ光の周波数のフィードバック制御の際に得られるエラー信号の周波数依存性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the frequency dependence of an error signal obtained during feedback control of the frequency of laser light in the CRDS device of the first embodiment; 本発明の第2の実施形態であるCRDS装置の要部の構成図。FIG. 2 is a block diagram of the essential parts of a CRDS device that is a second embodiment of the present invention; 一般的なCRDS装置の概略構成図。Schematic configuration diagram of a general CRDS device. 光共振器のモード周波数とレーザ光の発振周波数との関係を示す概略スペクトル図。FIG. 2 is a schematic spectrum diagram showing the relationship between the mode frequency of an optical resonator and the oscillation frequency of laser light;

[第1の実施形態]
本発明に係るガス吸光分光測定装置の第1の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態のCRDS装置の要部の構成図である。図2は、本実施形態のCRDS装置において測定開始前の処理の手順の一例を示すフローチャートである。図3は、本実施形態のCRDS装置において、レーザ光の周波数のフィードバック制御の際に得られるエラー信号の周波数依存性を示す図である。
[First embodiment]
A first embodiment of a gas absorption spectrophotometer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of the main part of the CRDS device of the first embodiment. FIG. 2 is a flow chart showing an example of the procedure of processing before starting measurement in the CRDS device of this embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the frequency dependency of an error signal obtained during feedback control of the frequency of laser light in the CRDS device of this embodiment .

図1に示すように、本実施形態のCRDS装置は、レーザ光源部10を含むレーザ照射部1と、光共振器2と、主光検出器3と、を備える。光共振器2及び主光検出器3は、図5に示した従来の一般的なCRDS装置における構成要素と同じであり、同じ符号を付してある。 As shown in FIG. 1 , the CRDS device of this embodiment includes a laser irradiation section 1 including a laser light source section 10 , an optical resonator 2 and a main photodetector 3 . The optical resonator 2 and main photodetector 3 are the same as the components in the conventional general CRDS device shown in FIG. 5, and are given the same reference numerals.

レーザ照射部1は、レーザ光源部10のほか、レーザ制御部11、周波数変換部12、発振部13、位相変調部14、光スイッチ15、偏光ビームスプリッタ16、1/4波長板17、副光検出器18、及び信号処理部19、を含む。 In addition to the laser light source unit 10, the laser irradiation unit 1 includes a laser control unit 11, a frequency conversion unit 12, an oscillation unit 13, a phase modulation unit 14, an optical switch 15, a polarization beam splitter 16, a quarter wave plate 17, and secondary light. A detector 18 and a signal processor 19 are included.

周波数変換部12は、レーザ光源部10で生成された基本周波数(波長)νのレーザ光をそのまま、又は2倍の周波数(2ν)のレーザ光に変換して、選択的に出射するものである。この出射するレーザ光の周波数の切替えは、機械的に又は電気的に制御される。
具体的な例としては、周波数変換部12は、ガルバノミラー等の高速に光路を切替え可能である素子を用い、非線形光学結晶や擬似位相整合素子を通過する光路と通過しない光路とを切り替える、或いは、両方の光路に光を並行に入射させ、音響光学変調器(AOM=Acoust Optical Modulator)等を用いて一方の光路を選択的に遮断することで、得られるレーザ光の周波数を切り替える構成とすることができる。また別の例としては、擬似位相整合素子のように変換できる入射波長の許容範囲が非常に狭い素子を用いる場合には、その素子の温度変化によって波長変換効率を大きく変化させることができるので、それによって基本波と倍波を切り替えるようにすることもできる。
The frequency converter 12 selectively emits the laser light of the fundamental frequency (wavelength) ν generated by the laser light source 10 as it is or after converting it into laser light of double the frequency (2ν). . This switching of the frequency of the emitted laser light is mechanically or electrically controlled.
As a specific example, the frequency converter 12 uses an element capable of switching the optical path at high speed, such as a galvanomirror, and switches between an optical path that passes through a nonlinear optical crystal or a quasi-phase matching element and an optical path that does not. , light is incident on both optical paths in parallel, and one of the optical paths is selectively cut off using an acousto-optic modulator (AOM) or the like, thereby switching the frequency of the obtained laser light. be able to. As another example, when using an element such as a quasi-phase matching element whose allowable range of incident wavelengths that can be converted is very narrow, the wavelength conversion efficiency can be greatly changed by the temperature change of the element. It is also possible to switch between the fundamental wave and the harmonic wave.

位相変調部14は例えば、電気的に光の屈折率を変化させることが可能な電気光学変調器(EOM=Electro-Optic Modulator)であり、発振部13から入力される変調信号に基づいて、周波数変換部12を介して入射されたレーザ光の周波数及び位相に変調を施すものである。 The phase modulation unit 14 is, for example, an electro-optic modulator (EOM) capable of electrically changing the refractive index of light. It modulates the frequency and phase of the laser light incident through the converter 12 .

光スイッチ15は図5中の光スイッチ101と同じであり、位相変調部14を介して入射されたレーザ光を短時間で遮断する光学素子である。偏光ビームスプリッタ16は、光スイッチ15を介して入射された光の一つの偏光成分(例えばS偏光)を選択的に透過させるとともに、1/4波長板17を介して戻って来た、入射光とは異なる偏光成分(例えばP偏光)の戻り光を内部の反射面で略直角方向に反射させるものである。 The optical switch 15 is the same as the optical switch 101 in FIG. 5, and is an optical element that cuts off the laser beam that has entered through the phase modulation section 14 in a short period of time. The polarizing beam splitter 16 selectively transmits one polarized component (for example, S-polarized light) of the light incident through the optical switch 15, and transmits the incident light that has returned through the quarter-wave plate 17. A return light having a polarization component (for example, P-polarized light) different from that is reflected by an internal reflecting surface in a substantially perpendicular direction.

1/4波長板17は、直線偏光状態と円偏光状態とを可逆的に変化させる光学素子であり、偏光ビームスプリッタ16から到来する光の偏光状態を変化させて光共振器2に入射させるとともに、該光共振器2から戻って来た光の偏光状態を再び変化させて偏光ビームスプリッタ16へと戻す。副光検出器18は偏光ビームスプリッタ16において反射された戻り光を検出可能な位置に設置され、その戻り光の強度に応じた電気信号を出力する。信号処理部19は機能ブロックとして、エラー信号生成部191とロック判定部192とを含む。レーザ制御部11は信号処理部19からの信号に応じてレーザ光源部10の発振周波数を調整する。 The quarter-wave plate 17 is an optical element that reversibly changes the state of linear polarization and the state of circular polarization. , changes the polarization state of the light returning from the optical resonator 2 again and returns it to the polarization beam splitter 16 . The secondary photodetector 18 is installed at a position where the return light reflected by the polarization beam splitter 16 can be detected, and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the return light. The signal processing unit 19 includes an error signal generation unit 191 and a lock determination unit 192 as functional blocks. The laser control section 11 adjusts the oscillation frequency of the laser light source section 10 according to the signal from the signal processing section 19 .

本実施形態のCRDS装置の動作を説明する。
ここでは一例として、光共振器2の往復の共振器長Lが1m、周波数変換部12において周波数の変換を行わない場合のレーザ光の基本周波数νに対するミラー21、22の反射率Rが99.99%、周波数変換部12において周波数変換を行うことで得られる周波数2νのレーザ光を光共振器2に入射させた場合のミラー21、22の反射率Rが99%、であるとする。光共振器2における縦モードのパルス線幅は、次の(3)式で表すことができる。
νFWHM≒{c(1-R)}/2πL√R …(3)
(3)式は、ミラー21、22の反射率が縦モードのパルス線幅に大きな影響を及ぼすことを意味している。
The operation of the CRDS device of this embodiment will be described.
Here, as an example, it is assumed that the reciprocating cavity length L of the optical cavity 2 is 1 m, and the reflectance R of the mirrors 21 and 22 with respect to the fundamental frequency ν of the laser light when the frequency conversion is not performed in the frequency converter 12 is 99.0. Assume that the reflectance R of the mirrors 21 and 22 is 99%, and that the reflectance R of the mirrors 21 and 22 is 99% when the laser light of frequency 2ν obtained by performing frequency conversion in the frequency converter 12 is incident on the optical resonator 2 . The pulse linewidth of the longitudinal mode in the optical resonator 2 can be expressed by the following equation (3).
ν FWHM ≈ {c(1−R)}/2πL√R (3)
Equation (3) means that the reflectance of the mirrors 21 and 22 has a large effect on the longitudinal mode pulse line width.

(3)式によれば、周波数νにおける縦モードのパルス半値全幅は約5kHz、周波数2νにおける縦モードのパルス半値全幅は約0.5MHz(=500kHz)となる。PDH法においてエラー信号が適切に得られる周波数範囲が縦モードのパルス半値全幅の2倍程度であると想定すると、エラー信号が取得可能である周波数範囲は、周波数νにおいては±5kHz、周波数2νにおいては±0.5MHzとなる。即ち、光共振器2に導入するレーザ光の周波数を2倍に上げることで、エラー信号が取得可能である周波数範囲は約100倍に広がることになり、初期的なレーザ光の周波数の精度が大幅に緩和される。 According to the equation (3), the longitudinal mode pulse full width at half maximum at frequency ν is approximately 5 kHz, and the longitudinal mode pulse full width at half maximum at frequency 2ν is approximately 0.5 MHz (=500 kHz). Assuming that the frequency range in which the error signal can be properly obtained in the PDH method is about twice the full width at half maximum of the longitudinal mode pulse, the frequency range in which the error signal can be obtained is ±5 kHz at frequency ν and 2ν at frequency 2ν. is ±0.5 MHz. That is, by doubling the frequency of the laser light introduced into the optical resonator 2, the frequency range in which the error signal can be obtained is expanded approximately 100 times, and the accuracy of the initial laser light frequency is increased. greatly alleviated.

図3には、基本周波数νの光を用いたときにエラー信号生成部191で生成されるエラー信号の周波数依存性を実線で示している。エラー信号の絶対値が小さくなる(ゼロに近づく)ようにレーザ光の発振周波数を制御する場合、エラー信号が周波数に対して単調に変化する周波数範囲でしか適切なエラー信号が得られない。図3に示したように、基本周波数νの光について適切なエラー信号が取得可能である周波数範囲は非常に狭い。これに対し、基本周波数2νの光についてのエラー信号は点線で示すように、適切なエラー信号が取得可能である周波数範囲はかなり拡大される。当初のレーザ光の周波数がこの周波数範囲に入っていれば、PDH法によりレーザ光の周波数がモード周波数に一致するように調整される。そこで、本実施形態のCRDS装置では、CRDS測定を実施する際に以下の手順でレーザ光の周波数を調整している。 In FIG. 3, the solid line shows the frequency dependence of the error signal generated by the error signal generator 191 when light of the fundamental frequency ν is used. When the oscillation frequency of the laser light is controlled so that the absolute value of the error signal becomes small (close to zero), an appropriate error signal can be obtained only in the frequency range where the error signal changes monotonically with respect to the frequency. As shown in FIG. 3, the frequency range over which a suitable error signal can be obtained for light of fundamental frequency ν is very narrow. In contrast, the error signal for light with a fundamental frequency of 2ν, as indicated by the dashed line, considerably extends the frequency range over which a suitable error signal can be obtained. If the original frequency of the laser light falls within this frequency range, the PDH method adjusts the frequency of the laser light so that it matches the mode frequency. Therefore, in the CRDS apparatus of this embodiment, the frequency of laser light is adjusted in the following procedure when performing CRDS measurement.

レーザ光の基本周波数が光共振器2のモード周波数に一致していない初期状態では、ロック判定部192は非ロック状態であることを示す信号を出力する。この信号を受けて周波数変換部12はレーザ光源部10から入射されたレーザ光の周波数を2倍に変換し、周波数2νのレーザ光を出射させる(ステップS1)。 In an initial state in which the fundamental frequency of the laser light does not match the mode frequency of the optical resonator 2, the lock determination unit 192 outputs a signal indicating the unlocked state. Upon receiving this signal, the frequency conversion unit 12 doubles the frequency of the laser light incident from the laser light source unit 10 and emits laser light with a frequency of 2ν (step S1).

このレーザ光は、発振部13で生成される変調信号に基づいて位相変調部14で周波数変調され、光スイッチ15、偏光ビームスプリッタ16、及び1/4波長板17を経て光共振器2に照射される。偏光ビームスプリッタ16を通過する際に直線偏光状態である特定の偏光成分(例えばS偏光)が選択され、1/4波長板17を通過する際に直線偏光は円偏光に変換される。光共振器2に照射されたレーザ光は測定セル20内に入り一対のミラー21、22の間で往復反射するが、その光の一部は、入射側ミラー21を通してレーザ照射部1へと戻る。 This laser light is frequency-modulated by the phase modulating section 14 based on the modulated signal generated by the oscillating section 13, passes through the optical switch 15, the polarization beam splitter 16, and the quarter-wave plate 17, and irradiates the optical resonator 2. be done. A particular polarization component in a linear polarization state (eg, S-polarization) is selected when passing through the polarizing beam splitter 16 , and the linear polarization is converted to circular polarization when passing through the quarter-wave plate 17 . The laser light irradiated to the optical resonator 2 enters the measuring cell 20 and is reflected back and forth between the pair of mirrors 21 and 22 . .

この戻り光は1/4波長板17を経て偏光ビームスプリッタ16に達する。1/4波長板17で円偏光から直線偏光に変換されると、先の入射時とは異なる偏光成分(例えばP偏光)になるため、この戻り光は偏光ビームスプリッタ16の内部の面で反射されて副光検出器18へと向かう。副光検出器18は入射した戻り光の強度に応じた検出信号を出力する。戻り光に基づく検出信号は、光共振器2の共振モードに関する情報を含む。エラー信号生成部191は、この検出信号と発振部13から得られる変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数2νとの差の情報を含むエラー信号を生成する。レーザ光の周波数2νとモード周波数との差が小さいほどエラー信号(絶対値)は小さくなる。レーザ制御部11は上記エラー信号が小さくなるようにレーザ光源部10におけるレーザ光の発振周波数を制御する。即ち、PDH法によるフィードバック制御を実行することで、レーザ光の周波数2νと光共振器2におけるモード周波数とを一致させる(ステップS2)。 This return light passes through the quarter-wave plate 17 and reaches the polarization beam splitter 16 . When circularly polarized light is converted into linearly polarized light by the quarter-wave plate 17 , it becomes a different polarized component (for example, P-polarized light) from the time of previous incidence. and head to the secondary photodetector 18 . The secondary photodetector 18 outputs a detection signal corresponding to the intensity of the incident return light. A detection signal based on the returned light contains information about the resonance mode of the optical resonator 2 . The error signal generator 191 generates an error signal containing information on the difference between the mode frequency of the optical resonator 2 and the frequency 2ν of the laser light from this detection signal and the modulated signal obtained from the oscillator 13 . The smaller the difference between the frequency 2ν of the laser light and the mode frequency, the smaller the error signal (absolute value). The laser control section 11 controls the oscillation frequency of the laser light in the laser light source section 10 so that the error signal is reduced. That is, by executing feedback control by the PDH method, the frequency 2ν of the laser light and the mode frequency in the optical resonator 2 are matched (step S2).

なお、レーザ光の基本周波数νとモード周波数とが一致していて該レーザ光が光共振器2で共振する状態である場合、その2倍の周波数2νのレーザ光も光共振器2で共振する。何故なら、光共振器2の共振条件は、共振周波数をf、往復の共振器長をLとしたとき、
f=n・(c/L) (但し、nは自然数) …(4)
であるから、基本周波数の光が共振する場合には、当然、その整数倍の周波数の光も共振することになる。
When the fundamental frequency ν of the laser light matches the mode frequency and the laser light resonates in the optical resonator 2 , the laser light with the double frequency 2ν also resonates in the optical resonator 2 . . This is because the resonance condition of the optical resonator 2 is as follows, where f is the resonance frequency and L is the resonator length of the round trip:
f=n・(c/L) (where n is a natural number) …(4)
Therefore, when the light of the fundamental frequency resonates, naturally the light of the integral multiple of that frequency also resonates.

上述したように、光共振器2に導入されるレーザ光の周波数が2νである場合の、エラー信号が取得可能である周波数範囲は±0.5MHzとかなり広い。そのため、レーザ光源部10におけるレーザ光の当初の発振周波数νの2倍の周波数とモード周波数との差が或る程度大きくても、つまりは発振周波数が高い精度で制御されていなくても、適切なフィードバック制御に必要なエラー信号を生成し周波数のロック動作を実施することができる。 As described above, when the frequency of the laser light introduced into the optical resonator 2 is 2ν, the frequency range over which the error signal can be obtained is as wide as ±0.5 MHz. Therefore, even if the difference between the mode frequency and the frequency twice the initial oscillation frequency ν of the laser light in the laser light source unit 10 is large to some extent, that is, even if the oscillation frequency is not controlled with high accuracy, the appropriate It is possible to generate an error signal necessary for effective feedback control and perform frequency locking operation.

エラー信号生成部191で生成されるエラー信号は、レーザ光の周波数2νとモード周波数との差をリアルタイムで反映している。そこで、ロック判定部192は生成されたエラー信号に基づいて周波数2νとモード周波数とのずれが所定の周波数範囲に収まっているか否かを繰り返し判定する(ステップS3)。具体的には、周波数νにおいてエラー信号が取得可能である周波数範囲、例えばモード周波数±5kHzに収まっているか否かを判定すればよい。ロック判定部192は、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まる(ステップS3でYes)とロック状態であることを示すロック検出信号を出力する。 The error signal generated by the error signal generator 191 reflects the difference between the frequency 2ν of the laser light and the mode frequency in real time. Therefore, the lock determination unit 192 repeatedly determines whether the deviation between the frequency 2ν and the mode frequency is within a predetermined frequency range based on the generated error signal (step S3). Specifically, it may be determined whether or not the frequency ν falls within a frequency range in which the error signal can be obtained, for example, the mode frequency ±5 kHz. The lock determination unit 192 outputs a lock detection signal indicating a locked state when the frequency deviation falls within a predetermined frequency range (Yes in step S3).

上記ロック検出信号に応じて周波数変換部12は出射するレーザ光の周波数を2νからν、つまり基本周波数に切り替える(ステップS4)。光共振器2の共振モードは周波数軸上で、周波数0から等周波数間隔の位置に現れる。したがって、レーザ光の周波数2νにおいてその周波数とモード周波数とが十分に一致していれば、レーザ光の周波数がνに変化してもその周波数とモード周波数とが十分に一致している。そのため、周波数変換部12においてレーザ光の周波数が切り替えられたあとも、それ以前と同様に、PHD法によるフィードバック制御が継続され、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数はモード周波数に十分に一致した状態に維持される(ステップS5)。もちろん、このときに、ロック判定部192は、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まっていることを示すロック検出信号を出力し続ける。 According to the lock detection signal, the frequency converter 12 switches the frequency of the emitted laser light from 2ν to ν, that is, the fundamental frequency (step S4). The resonance modes of the optical resonator 2 appear at equal frequency intervals from the frequency 0 on the frequency axis. Therefore, if the frequency of the laser light and the mode frequency are sufficiently matched at the frequency 2ν of the laser light, the frequency and the mode frequency are sufficiently matched even if the frequency of the laser light is changed to ν. Therefore, even after the frequency of the laser light is switched in the frequency conversion unit 12, the feedback control by the PHD method is continued in the same manner as before, and the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 10 is sufficiently equal to the mode frequency. The matched state is maintained (step S5). Of course, at this time, the lock determination section 192 continues to output a lock detection signal indicating that the frequency deviation is within a predetermined frequency range.

そして、光共振器2に導入するレーザ光の周波数をνに維持した状態で、CRDSによる測定を実施する(ステップS6)。即ち、光共振器2の内部にレーザ光のパワーを蓄積したあとに光スイッチ15により光を遮断し、出射側ミラー22を通して漏出する光の強度変化を主光検出器3で検出する。このときには縦モードのパルス線幅が狭く、ミラー21、22の反射率は非常に高いので、高感度の測定を行うことができる。また、PDH法によりレーザ光の発振周波数がモード周波数に一致している状態が継続されるので、単位時間当たりのCRDSによる測定の回数を増やすことができ、高い測定効率を達成することができる。 Then, while the frequency of the laser light introduced into the optical resonator 2 is maintained at ν, measurement by CRDS is performed (step S6). That is, after the power of laser light is accumulated inside the optical resonator 2 , the light is blocked by the optical switch 15 , and the main photodetector 3 detects the intensity change of the light leaking through the exit side mirror 22 . At this time, since the pulse line width of the longitudinal mode is narrow and the reflectance of the mirrors 21 and 22 is very high, highly sensitive measurement can be performed. In addition, since the PDH method keeps the oscillation frequency of the laser light consistent with the mode frequency, the number of CRDS measurements per unit time can be increased, and high measurement efficiency can be achieved.

以上のように本実施形態のCRDS装置では、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数を高精度に制御することなく、高感度のCRDSの測定を行うことができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器2のモード周波数とを迅速に一致させることができるので測定を直ぐに開始することができると共に、単位時間当たりの測定回数を増やし測定効率を高めることができる。 As described above, in the CRDS apparatus of the present embodiment, highly sensitive CRDS measurement can be performed without controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 10 with high accuracy. In addition, since the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator 2 can be matched quickly, the measurement can be started immediately, and the number of measurements per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be improved. .

また、広範囲の周波数領域に亘るCRD信号を取得したい場合に、一定の周波数間隔で現れる各共振モードに対してレーザ光の発振周波数を順番に一致させていきながら各モード周波数におけるCRD信号を取得していく方法がある。本実施形態のCRDS装置では、複数のモードの周波数それぞれに対してレーザ光の発振周波数を順番に迅速に一致させることができるので、上記方法により広範囲の周波数領域に亘るCRD信号を取得するのに有益である。 Also, when it is desired to obtain a CRD signal over a wide frequency range, the CRD signal at each mode frequency is obtained while sequentially matching the oscillation frequency of the laser light to each resonance mode appearing at regular frequency intervals. There is a way to go. In the CRDS apparatus of the present embodiment, the oscillation frequencies of the laser light can be matched in order and quickly with the respective frequencies of a plurality of modes. Beneficial.

なお、図1に示した構成において、光学素子を含む各部の配置は一例であり、例えば光スイッチ15を1/4波長板17と光共振器2との間に配置する等、その配置を適宜変更することは当然可能である。 In the configuration shown in FIG. 1, the arrangement of each part including the optical element is an example, and the arrangement may be appropriately arranged, such as arranging the optical switch 15 between the quarter-wave plate 17 and the optical resonator 2. It is of course possible to change.

[第2の実施形態]
次に、本発明に係るガス吸光分光測定装置の第2の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図4は第2の実施形態のCRDS装置の要部の構成図である。このCRDS装置では、周波数νのレーザ光と周波数2νのレーザ光とを切り替えて光共振器2に入射するのではなく、周波数が互いに異なる二つのレーザ光を同時に光共振器2に入射する構成となっている。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the gas absorption spectrophotometer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 4 is a configuration diagram of the main part of the CRDS device of the second embodiment. In this CRDS device, instead of switching between laser light with a frequency of ν and laser light with a frequency of 2ν to be incident on the optical resonator 2, two laser beams with different frequencies are simultaneously incident on the optical resonator 2. It's becoming

図4に示すように、レーザ照射部4は、レーザ光源部40、光カプラ41、第2発振部42、第2位相変調部43、第2光サーキュレータ44、1/2波長板45、周波数変換部46、第1発振部47、第1位相変調部48、第1光サーキュレータ49、偏光ビームスプリッタ50、光スイッチ51、第1副光検出器52、第2副光検出器53、信号処理部54、及びレーザ制御部55、を含む。第1の実施形態の装置と同様に、信号処理部54は機能ブロックとして、エラー信号生成部541及びロック判定部542を含む。 As shown in FIG. 4, the laser irradiation unit 4 includes a laser light source unit 40, an optical coupler 41, a second oscillation unit 42, a second phase modulation unit 43, a second optical circulator 44, a half-wave plate 45, a frequency converter. Section 46, First Oscillating Section 47, First Phase Modulating Section 48, First Optical Circulator 49, Polarizing Beam Splitter 50, Optical Switch 51, First Secondary Photodetector 52, Second Secondary Photodetector 53, Signal Processing Section 54, and a laser controller 55. As in the device of the first embodiment, the signal processing section 54 includes an error signal generation section 541 and a lock determination section 542 as functional blocks.

光カプラ41は入射した光を複数(ここでは二つ)に分割する光学素子であり、スプリッタでもよい。また、第1、第2光サーキュレータ49、44は、三つのポートを有する非往復式で且つ一方向型の光学素子である。即ち、第1ポートに入射された光は第2ポートへのみ出射され、第2ポートへ入射された光は第3ポートのみに出射される。また、1/2波長板45は、入射された直線偏光を所定角度だけ回転させて出射させる光学素子である。 The optical coupler 41 is an optical element that splits incident light into a plurality of (here, two) light, and may be a splitter. The first and second optical circulators 49 and 44 are non-reciprocating and unidirectional optical elements having three ports. That is, the light incident on the first port is emitted only to the second port, and the light incident on the second port is emitted only to the third port. Also, the half-wave plate 45 is an optical element that rotates the incident linearly polarized light by a predetermined angle and emits it.

本実施形態のCRDS装置において、CRDS測定を実施する際の動作を説明する。
レーザ光源部40で生成された周波数νのレーザ光は光カプラ41で2系統に分岐され、その一方は第2位相変調部43に、他方は1/2波長板45を通して周波数変換部46に導入される。第2発振部42で生成された変調信号に基づいて第2位相変調部43において、周波数νのレーザ光の周波数(及び位相)は変調され、第2光サーキュレータ44を通して偏光ビームスプリッタ50に入射される。一方、1/2波長板45はレーザ光の直線偏光の偏光方位を所定角度だけ回転させることで、例えばS偏光をP偏光に変換する。周波数変換部46はこのレーザ光の周波数をνから2倍の2νに変換し、第1位相変調部48は第1発振部47で生成された変調信号に基づいて、周波数2νのレーザ光の周波数を変調する。変調を受けたレーザ光は、第1光サーキュレータ49を通して偏光ビームスプリッタ50に入射される。
The operation of the CRDS device of this embodiment when performing CRDS measurement will be described.
The laser light of frequency ν generated by the laser light source unit 40 is branched into two systems by the optical coupler 41 , one of which is introduced into the second phase modulation unit 43 and the other into the frequency conversion unit 46 through the half-wave plate 45 . be done. The frequency (and phase) of the laser light of frequency ν is modulated by the second phase modulation section 43 based on the modulated signal generated by the second oscillation section 42 , and is incident on the polarization beam splitter 50 through the second optical circulator 44 . be. On the other hand, the half-wave plate 45 rotates the polarization direction of the linearly polarized light of the laser beam by a predetermined angle, thereby converting, for example, S-polarized light into P-polarized light. The frequency conversion unit 46 doubles the frequency of the laser light from ν to 2ν, and the first phase modulation unit 48 converts the frequency of the laser light of the frequency 2ν based on the modulation signal generated by the first oscillation unit 47. modulate the The modulated laser light enters the polarization beam splitter 50 through the first optical circulator 49 .

偏光ビームスプリッタ50は、第2光サーキュレータ44を経て入射した周波数ν(但し変調されている)のレーザ光の特定の偏光成分(例えばS偏光)を選択的に透過させ光スイッチ51へ向かわせる。また、偏光ビームスプリッタ50は、第1光サーキュレータ49を経て入射した周波数2ν(但し変調されている)のレーザ光の特定の偏光成分(例えばP偏光)を選択的に反射させ、光スイッチ51に向かわせる。したがって、光スイッチ51が開放状態であるとき、光共振器2には、周波数がνでS偏光であるレーザ光と周波数が2νでP偏光であるレーザ光とが共に導入される。 The polarizing beam splitter 50 selectively transmits a specific polarized component (for example, S-polarized light) of the laser light of frequency ν (which is modulated) incident through the second optical circulator 44 and directs it to the optical switch 51 . Also, the polarizing beam splitter 50 selectively reflects a specific polarized light component (for example, P-polarized light) of the laser light of frequency 2ν (which is modulated) incident through the first optical circulator 49 , and sends it to the optical switch 51 . make it go Therefore, when the optical switch 51 is open, both the S-polarized laser light with a frequency of ν and the P-polarized laser light with a frequency of 2ν are introduced into the optical resonator 2 .

周波数νのS偏光であるレーザ光と周波数2νのP偏光であるレーザ光とは一対のミラー21、22間で往復反射するが、その光の一部は入射側ミラー21を透過して偏光ビームスプリッタ50に戻る。この戻り光の偏光状態は元の照射光の偏光状態と同じである。そのため、周波数νのS偏光である戻り光は偏光ビームスプリッタ50を透過して第2光サーキュレータ44まで戻り、第2光サーキュレータ44により進行方向が変えられて第2副光検出器53に入射する。一方、周波数2νのP偏光である戻り光は偏光ビームスプリッタ50で反射されて第1光サーキュレータ49まで戻り、第1光サーキュレータ49で進行方向が変えられて第1副光検出器52に入射する。 The S-polarized laser light with a frequency ν and the P-polarized laser light with a frequency 2ν are reflected back and forth between the pair of mirrors 21 and 22. Return to splitter 50 . The polarization state of this return light is the same as the polarization state of the original irradiation light. Therefore, the return light, which is S-polarized light with frequency ν, passes through the polarization beam splitter 50 and returns to the second optical circulator 44 , changes its traveling direction by the second optical circulator 44 , and enters the second sub-photodetector 53 . . On the other hand, the return light, which is P-polarized light with a frequency of 2ν, is reflected by the polarization beam splitter 50 and returns to the first optical circulator 49 , changes its traveling direction by the first optical circulator 49 , and enters the first sub-photodetector 52 . .

上述したように、波長νの光と波長2νの光はいずれも光共振器2において共振する。したがって、第1副光検出器52による検出信号及び第2副光検出器53による検出信号はいずれも、光共振器2の共振モードに関する情報を含む。信号処理部54においてエラー信号生成部541は、第2副光検出器53による検出信号と第2発振部42による変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数νとの差の情報を含む第2エラー信号を生成するとともに、第1副光検出器52による検出信号と第1発振部47による変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数2νとの差の情報を含む第1エラー信号を生成する。 As described above, both the light of wavelength ν and the light of wavelength 2ν resonate in the optical resonator 2 . Therefore, both the detection signal from the first secondary photodetector 52 and the detection signal from the second secondary photodetector 53 contain information about the resonance mode of the optical resonator 2 . The error signal generator 541 in the signal processor 54 determines the difference between the mode frequency of the optical resonator 2 and the frequency ν of the laser light from the detection signal from the second secondary photodetector 53 and the modulation signal from the second oscillator 42. and the mode frequency of the optical resonator 2 and the frequency 2ν of the laser light from the detection signal from the first secondary photodetector 52 and the modulation signal from the first oscillator 47. A first error signal containing difference information is generated.

レーザ光の基本周波数が光共振器2のモード周波数に一致していない初期状態では、ロック判定部542は非ロック状態であることを示す信号を出力する。この場合、エラー信号生成部541は、周波数2νの戻り光に基づくエラー信号を選択してレーザ制御部55に送り、レーザ制御部55はこのエラー信号が小さくなるようにレーザ光源部40におけるレーザ光の発振周波数を制御する。即ち、周波数2νのレーザ光を用いたPDH法によるフィードバック制御を実行することで、レーザ光の発振周波数とモード周波数とを一致させる。 In the initial state in which the fundamental frequency of the laser light does not match the mode frequency of the optical resonator 2, the lock determination unit 542 outputs a signal indicating the unlocked state. In this case, the error signal generation unit 541 selects an error signal based on the return light of frequency 2ν and sends it to the laser control unit 55, and the laser control unit 55 controls the laser light in the laser light source unit 40 so that the error signal becomes small. control the oscillation frequency of That is, the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency are matched by performing feedback control by the PDH method using the laser light of the frequency 2ν.

ロック判定部542は上記二つのエラー信号から、レーザ光の発振周波数とモード周波数とのずれが所定の周波数範囲に収まっているか否かを判定し、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まる状態になるとロック検出信号を出力する。この信号を受けてエラー信号生成部541は、周波数2νの戻り光に基づくエラー信号ではなく、周波数νの戻り光に基づくエラー信号を選択してレーザ制御部55に送るように動作を切り替える。このように切り替えられたあとは、周波数νのレーザ光を用いたPHD法によるフィードバック制御が実行され、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数はモード周波数に十分に一致した状態に維持される。 The lock determination unit 542 determines from the two error signals whether or not the deviation between the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency is within a predetermined frequency range. Outputs a lock detection signal. Upon receiving this signal, the error signal generator 541 selects the error signal based on the return light of the frequency ν instead of the error signal based on the return light of the frequency 2ν and switches the operation so as to send it to the laser control unit 55 . After switching in this way, feedback control is performed by the PHD method using laser light of frequency ν, and the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 10 is maintained in a state of sufficiently matching the mode frequency. .

このようにレーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致し状態でCRDSの測定が実施される。なお、CRDSの測定は周波数が2νのレーザ光を用いても行うことができるが、周波数2νでは周波数がνである場合に比べてミラー21、22の反射率が低いため、リングダウン時間が短く、その分だけ測定精度及び感度が低くなる。周波数が2νであるレーザ光を用いてCRDSの測定を行うことの利点は実質的にないため、CRDSの測定は周波数がνであるレーザ光を用いて行えばよい。 In this way, the CRDS measurement is performed in a state where the oscillation frequency of the laser light in the laser light source unit 10 sufficiently matches the mode frequency. Although CRDS can be measured using a laser beam with a frequency of 2ν, the ring-down time is shorter at the frequency of 2ν because the reflectance of the mirrors 21 and 22 is lower than when the frequency is ν. , the measurement accuracy and sensitivity are reduced accordingly. Since there is practically no advantage in measuring CRDS using laser light with a frequency of 2ν, CRDS may be measured using laser light with a frequency of ν.

[第2の実施形態の変形例]
上記第2の実施形態のCRDS装置では、第1の実施形態のCRDS装置と同様に、PDH法によるフィードバック制御に利用する光の周波数を当初の2νからνへと切り替えている。これは一般に、レーザ光の発振周波数とモード周波数が一旦一致したあとは、周波数νの光を用いたPHD法によるフィードバック制御を実施したほうが、レーザ光の発振周波数の揺らぎを抑えて高い精度を維持することができるためである。但し、周波数2νの光を用いたPHD法によるフィードバック制御を行っている状態でも、レーザ光の発振周波数の揺らぎが測定精度のうえで実質的に問題になることはあまりない。
[Modification of Second Embodiment]
In the CRDS device of the second embodiment, as in the CRDS device of the first embodiment, the frequency of light used for feedback control by the PDH method is switched from the initial 2ν to ν. Generally, once the oscillation frequency and mode frequency of the laser light match, it is better to implement feedback control by the PHD method using light of frequency ν to suppress fluctuations in the oscillation frequency of the laser light and maintain high accuracy. because it can However, even when feedback control is performed by the PHD method using light with a frequency of 2ν, fluctuations in the oscillation frequency of the laser light do not substantially pose a problem in terms of measurement accuracy.

そこで、第2の実施形態のCRDS装置では、PDH法によるレーザ光の発振周波数のフィードバック制御は周波数2νの光を利用して実施し、周波数νの光について得られたエラー信号はCRDSによる測定が可能な状態になったことの判定にのみ利用するようにその構成を変更してもよい。具体的には、エラー信号生成部541はレーザ制御部55に送るエラー信号を常に周波数2νの光を利用したエラー信号にし、ロック判定部542は周波数νの光について得られたエラー信号が所定の範囲に収まったときにロック検出信号を出力し、図示しない制御部は、そのロック検出信号が得られてからCRDSの測定を実施する。こうした構成でも、第1、第2の実施形態のCRDS装置とほぼ同様に、レーザ光の発振周波数の高精度の制御を行うことなく、高精度及び高感度の測定を実施することができる。 Therefore, in the CRDS apparatus of the second embodiment, the feedback control of the oscillation frequency of the laser light by the PDH method is performed using the light of the frequency 2ν, and the error signal obtained for the light of the frequency ν is measured by the CRDS. The configuration may be changed so that it is used only for determining that it has become possible. Specifically, the error signal generator 541 always uses the light of frequency 2ν as the error signal to be sent to the laser controller 55, and the lock determination unit 542 converts the error signal obtained for the light of frequency ν into a predetermined error signal. When it falls within the range, a lock detection signal is output, and the control unit (not shown) measures the CRDS after the lock detection signal is obtained. Even with such a configuration, similarly to the CRDS devices of the first and second embodiments, highly accurate and highly sensitive measurement can be performed without highly accurate control of the oscillation frequency of the laser light.

なお、上記実施形態では、レーザ光の発振周波数(基本周波数)を2倍にしていたが、これは2以外の自然数倍にしてもよい。このようにレーザ光の周波数を変化させても、光共振器2で共振が生じることは上記説明から明らかである。ただし、実際には、基本周波数を2倍にするだけで適切なエラー信号が取得できる周波数範囲は大幅に拡大されるため、基本周波数を3以上の自然数倍にする必要性は実質的にない。 Although the oscillation frequency (fundamental frequency) of the laser light is doubled in the above embodiment, it may be multiplied by a natural number other than two. It is clear from the above description that resonance occurs in the optical resonator 2 even when the frequency of the laser light is changed in this way. In practice, however, the frequency range over which a suitable error signal can be obtained is greatly expanded by simply doubling the fundamental frequency, so there is practically no need to multiply the fundamental frequency by a factor of 3 or more. .

また、光共振器2で共振する光の周波数は往復の共振器長に依存するから、第1の実施形態の装置では、レーザ光の発振周波数をn倍にする際にそのnが自然数から若干ずれていても光共振器2の往復の共振器長を微調整することで共振を生じさせることができる。したがって、レーザ光の発振周波数を厳密に自然数倍する構成でなくてもよい。 In addition, since the frequency of the light resonating in the optical resonator 2 depends on the length of the reciprocating resonator, in the device of the first embodiment, when the oscillation frequency of the laser light is multiplied by n, the n is a natural number. Even if there is a deviation, resonance can be generated by finely adjusting the reciprocating cavity length of the optical cavity 2 . Therefore, it is not necessary to strictly multiply the oscillation frequency of the laser light by a natural number.

また、上記実施形態はいずれも本発明の各態様の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 In addition, all of the above-described embodiments are examples of each aspect of the present invention, and it is obvious that even if deformation, modification, addition, etc. is.

[種々の態様]
以上、図面を参照して本発明における実施形態を説明したが、上記複数の実施形態及びその変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者には容易に理解される。
[Various aspects]
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, those skilled in the art will easily understand that the above-described embodiments and modifications thereof are specific examples of the following aspects.

(第1項)本発明の一態様に係るガス吸光分光測定装置は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備えるものである。
(Section 1) A gas absorption spectrophotometer according to an aspect of the present invention includes a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. and a first detector for detecting light extracted from the optical resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the concentration of components in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, , the laser irradiation unit,
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
is provided.

第1項に記載のガス吸光分光測定装置では、例えば装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、そのレーザ光の基本周波数ではなく、それを所定倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数がモード周波数に一致するように調整される。 In the gas absorption spectroscopy measurement device according to item 1, when the oscillation frequency of the laser light in the laser light source and the mode frequency of the optical resonator do not match, such as immediately after starting the device, the fundamental frequency of the laser light The oscillation frequency of the laser light source is adjusted so as to match the mode frequency by feedback control by the PDH method using not the frequency but the laser light of the frequency multiplied by a predetermined frequency.

所定倍の周波数における光共振器の縦モードのパルス幅は基本周波数におけるそれよりも広いため、PDH法によるフィードバック制御を行うのに適切なエラー信号が得られる周波数範囲が広くなる。それにより、レーザ光の周波数とモード周波数との差が或る程度大きくても、レーザ光の周波数がモード周波数に一致するように良好なフィードバック制御が行われ、該レーザ光の発振周波数は調整される。そして、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致する状態になったときに、基本周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御に移行し、例えばレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実行される。 Since the pulse width of the longitudinal mode of the optical resonator at a predetermined multiple frequency is wider than that at the fundamental frequency, the frequency range in which an error signal suitable for feedback control by the PDH method can be obtained is widened. As a result, even if the difference between the frequency of the laser light and the mode frequency is large to some extent, good feedback control is performed so that the frequency of the laser light matches the mode frequency, and the oscillation frequency of the laser light is adjusted. be. Then, when the oscillation frequency of the laser light sufficiently matches the mode frequency, the process shifts to feedback control by the PDH method using the laser light of the fundamental frequency. The measurement is performed in a state consistent with .

このようにして第1項に記載のガス吸光分光測定装置によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。レーザ光の発振周波数を高精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
In this way, according to the gas absorption spectrophotometer described in item 1, the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator can be adjusted without controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source with high accuracy. Rapid agreement and maintenance of high accuracy and sensitivity CRDS measurements can be performed. Since there is no need to control the oscillation frequency of the laser light with high precision, the cost of the device can be reduced. In addition, since the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator can be quickly matched and maintained, the number of measurements that can be performed per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be improved. can.

(第2項)本発明の他の態様に係るガス吸光分光測定装置は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備えるものである。
(Section 2) A gas absorption spectrophotometer according to another aspect of the present invention includes a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. A gas absorption spectroscopy measuring apparatus comprising a resonator and a first detection section for detecting light extracted from the optical resonator, and determining the concentration of components in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy. and the laser irradiation unit
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated into the optical resonator together. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or a difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator based on the detection signal by the second detector and the second modulation signal for the return light originating from the second laser light; a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
is provided.

上記第1項に記載のガス吸光分光測定装置では、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するループ中においてレーザ光の周波数が切り替えられるのに対し、上記第2項に記載のガス吸光分光測定装置では、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するループ中においてレーザ光源でのレーザ光の発振周波数の制御に利用されるエラー信号が切り替えられる。つまりは光の切替えではなく電気信号が切り替えられる。したがって、第2項に記載のガス吸光分光測定装置においても、装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、基本周波数を所定倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数がモード周波数に一致するように調整される。そして、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致する状態になったときに、基本周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御に移行し、例えばレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実施される。 In the gas absorption spectroscopy measuring apparatus according to the above item 1, the frequency of the laser light is switched in the loop for feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source, whereas the gas absorption spectroscopy according to the above item 2. In the measuring device, the error signal used for controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source is switched in the loop for feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source. In other words, electrical signals are switched instead of light. Therefore, even in the gas absorption spectrophotometer described in item 2, when the oscillation frequency of the laser light in the laser light source and the mode frequency of the optical resonator do not match, such as immediately after starting the device, the fundamental frequency is The oscillation frequency of the laser light source is adjusted to match the mode frequency by feedback control by the PDH method using a laser beam with a frequency multiplied by a predetermined frequency. Then, when the oscillation frequency of the laser light sufficiently matches the mode frequency, the process shifts to feedback control by the PDH method using the laser light of the fundamental frequency. Measurements are performed in accordance with

第2項に記載のガス吸光分光測定装置によれば、第1項に記載の装置と同様に、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。レーザ光の発振周波数を高精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
According to the gas absorption spectroscopy measurement device described in item 2, similarly to the device described in item 1, without controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source with high accuracy, the oscillation frequency of the laser light and the light The mode frequencies of the resonator can be rapidly matched and maintained with high accuracy and sensitivity for CRDS measurements. Since there is no need to control the oscillation frequency of the laser light with high precision, the cost of the device can be reduced. In addition, since the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator can be quickly matched and maintained, the number of measurements that can be performed per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be improved. can.

(第3項)本発明の一態様に係る周波数ロック方法は、レーザ光源の発振周波数を光共振器の共振周波数にロックする周波数ロック方法であって、
前記レーザ光源によるレーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行するものである。
(Section 3) A frequency locking method according to an aspect of the present invention is a frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light from the laser light source to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
is executed.

第3項に記載の周波数ロック方法によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、その周波数をロックさせることができる。 According to the frequency locking method according to item 3, the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator are quickly matched without controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser light source with high precision, and frequency can be locked.

(第4項)また本発明の一態様に係るガス吸光分光測定方法は、第3項に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
(Section 4) A gas absorption spectroscopy measurement method according to an aspect of the present invention uses the frequency locking method described in Section 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, while maintaining the feedback control in the sixth step, measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the laser light from the laser light source. a seventh step to perform,
is further executed.

(第5項)本発明の他の態様に係るガス吸光分光測定方法は、第3項に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
(Section 5) A gas absorption spectroscopy measurement method according to another aspect of the present invention uses the frequency locking method described in Section 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the fundamental frequency laser light emitted from the laser light source is frequency-modulated using a modulation signal and irradiated to the optical resonator; A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the fundamental frequency laser light from the laser light source while performing feedback control based on the returned light;
is further executed.

第4項及び第5項に記載のガス吸光分光測定方法によれば、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実施されるので、高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。 According to the gas absorption spectroscopy measurement method described in paragraphs 4 and 5, measurement is performed in a state where the oscillation frequency of the laser light sufficiently matches the mode frequency, so CRDS measurement with high accuracy and sensitivity is performed. can do.

1、4…レーザ照射部
10、40…レーザ光源部
11、55…レーザ制御部
12、46…周波数変換部
13、42、47…発振部
14、43、48…位相変調部
15、51…光スイッチ
16、50…偏光ビームスプリッタ
17…1/4波長板
18、52、53…副光検出器
19、54…信号処理部
191、541…エラー信号生成部
192、542…ロック判定部
2…光共振器
20…測定セル
21、22…ミラー
3…主光検出器
41…光カプラ
44、49…光サーキュレータ
45…1/2波長板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 4... Laser irradiation part 10, 40... Laser light source part 11, 55... Laser control part 12, 46... Frequency conversion part 13, 42, 47... Oscillation part 14, 43, 48... Phase modulation part 15, 51... Light Switches 16, 50 Polarizing beam splitter 17 Quarter wave plate 18, 52, 53 Secondary photodetector 19, 54 Signal processor 191, 541 Error signal generator 192, 542 Lock determination unit 2 Light Resonator 20... Measuring cells 21, 22... Mirror 3... Main photodetector 41... Optical couplers 44, 49... Optical circulator 45... Half-wave plate

Claims (5)

レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備えるガス吸光分光測定装置。
A laser irradiation section, an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation section, and a first detection section that detects the light extracted from the optical resonator. and a gas absorption spectrometer for obtaining the concentration of a component in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit includes:
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
A gas absorption spectrophotometer.
レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備えるガス吸光分光測定装置。
A laser irradiation section, an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation section, and a first detection section that detects the light extracted from the optical resonator. and a gas absorption spectrometer for obtaining the concentration of a component in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit includes:
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated from each other in the optical resonator. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or Based on the signal detected by the second detector and the second modulation signal for the return light derived from the second laser light, the difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator is determined. a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
A gas absorption spectrophotometer.
レーザ光源の発振周波数を光共振器の共振周波数にロックする周波数ロック方法であって、
レーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行する周波数ロック方法。
A frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
frequency lock method to perform.
請求項3に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するガス吸光分光測定方法。
Using the frequency locking method of claim 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, while maintaining the feedback control in the sixth step, measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the laser light from the laser light source. a seventh step to perform,
gas absorption spectroscopy method to further perform.
請求項3に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するガス吸光分光測定方法。
Using the frequency locking method of claim 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the fundamental frequency laser light emitted from the laser light source is frequency-modulated using a modulation signal and irradiated to the optical resonator; A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the fundamental frequency laser light from the laser light source while performing feedback control based on the returned light;
gas absorption spectroscopy method to further perform.
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